受污染河水净化技术研究

屈计宁，张建良
（污染控制与资源化研究国家重点实验室，同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

　　摘　要：应用悬浮填料生物反应器对受污染河水进行短时生物处理，将溶解性有机物转变成生物絮体，再用化学沉淀法加以去除，充分发挥了生物和化学法各自的优点。中试研究结果表明，当生物反应器进水COD超过110mg/L时，单独生物反应出水很难达到50mg/L的要求：而化学处理只有在进水COD小于80mg/L的情况下才能达标；在用生物与化学的组合工艺时，既可缩短处理时间，又可达到一定的水质要求。
　　关键词：受污染河水 悬浮填料 生物处理 化学处理

Pollutcd River Water Purifying Process Analysis
QuJining ZhangJianliang
(State Key Laboratory of Pollution Control and Resourcd Reuse,
School of Environmental Science and Engineering Tongji University, Shanghai 200092)

　　Abstract: After a short time biological treatment in a Suspended Carrier Biological Reactor(SCBR), the dissolved organic pollutants in polluted river water were changed to biological flocculating which were removed using chemical precipitation. The combination of biological and chemical treatment takes advantage of their individual strong points. The results of the pilot study shown that if the influent COD_cr concentration were more than 110mg/L, the effluent COD_cr concentration limit(50mg/L) could not be ensured with biological treatment only, it was not possible to ensure the effluent COD_cr concentration limit when influent COD_cr, concentration were more than 80mg/L with chemical treatment only. In the combination process of biological and chemical treatment, if the Hydraulic Retention time (HRT) was 1 hr in SCBR and influent concentration COD_cr were less than 130mg/L, the effluent concentration limit of COD_cr and BOD₅ can be ensured with l0mg/L of PAC. When influent COD_cr concentration were more than 130mg/L, thae of PAC will varied in a range of l5～30mg/L.
　　Keywords: polluted river water　　suspended carrier　　biological treatment　　chemical treatment

1 前言

　　长期以来，河水一直是广大居民的生活用水水源。随着经济的发展和人口的不断增加，河水（尤其是城市周边和农村地区的河流）受污染的程度日益加剧，使其不能成为自来水厂的合格水源。在没有其它水源可供选择时，对受到较严重污染的河水必须进行必要的预处理，确保己建成的自来水厂正常稳定运行，出水水质合格。本研究针对以上问题，着重探讨受污染河水在进入自来水厂之前的预处理方法。

2 支流河水就地净化方案选择

　　作为生活用水水源的受污染河水一般具有以下特点：
　　·污染主要由周边居民等的生活污水等引起，大部分为有机污染，有毒有害物质浓度较低。
　　·需要处理的水量大，一般无法进行远距离输送，而采用就地净化方式。
　　·河流水系一般承担该区域的泄洪等任务，故无法利用河道本身建设处理构筑物。
　　·一般河岸边土地资源紧张，因而不可能采用处理时间长，流程复杂的工艺来处理受污染河水。
　　·由于水量大，不能采用处理成本高的工艺，同时必须考虑处理工艺带来的二次污染物问题。
　　·水质波动较大。
　　由于对水质的处理要求高，河水的水质波动又非常大，当采用单纯的生物法进行处理时，若按照一般水平设计处理装置，则难以保证水质较差时处理后水质达标；若能够保证水质较差时出水也达标，则处理装置平时负荷过低，造成工程投资过高。因而不采用占地面积很大、停留时间很长的处理工艺，即放弃单纯的生物处理法。
　　由于化学法可以通过调节加药量来适应水质水量的变化，因而尝试采用化学法，即投加混凝剂进行混凝沉淀处理水质变化很大的支流河水。但混凝沉淀这一处理方法仅对水中的悬浮性污染物有较好的去除效果，对溶解性污染物的作用不大。经过多次试验，发现因水中的溶解性有机物浓度较高，占总有机物量的50％～82％，大多数化学处理的出水不能达到处理要求，且耗用的混凝剂量大，造成运行费用高。即直接采用化学法处理支流河水无法达到处理要求。
　　对若干河水的采样分析表明，一般河水的可生化性较好，可通过生物处理将溶解性有机物吸附于生物体上，或转化为非溶解性的生物絮体，再通过加药混凝将生物絮体从水中分离，达到净化水的目的。
　　通过以上的试验分析，结合以往的工程实践，决定采用“短时三段式好氧生物处理法＋高效化学药剂混凝处理法”工艺就地净化支流河水。对某河流的受污染河水进行就地净化研究，由于污染程度严重，根据当地政府和管理部门的要求，净化后水质确定为：BOD₅≤12mg/l，COD_cr≤50mg/l，NH₃-N≤10mg/l，DO≤2.0mg/l。现场中试如下述。

3 试验与讨论

　　3.1 试验装置
　　生物处理装置

　　生化反应池长3.0m，宽1.0m，高1.5m，有效水深1.2m，有效容积3.6m³，沿水流方向均匀分为三段，呈现串联状态。反应池中投加高效悬浮填料，采用空气压缩机进行穿孔管曝气。
　　化学反应设备
　　化学反应在实验室和现场进行。将上述生化出水置于1升的高型烧杯中，先后加入高效混凝剂和助凝剂，利用电动六联搅拌器进行搅拌，沉淀后的上清液为整个处理流程的最终出水。
　　3.2 生化反应时间的确定
　　分别在生化反应池的不同区域取样，测试反应结果，详见表1、表2和图2、图3。

　　图2表明，当生化反应时间达到1.0小时，即使水温较低（日平均6～15℃），溶解性COD、BOD去除率己相当高，再延长反应时间，去除率曲线变缓，溶解性COD、BOD的去除速率下降，同时从生化反应的目的考虑，决定采用生化反应时间1hr，不再延长。
　　图3反映出硝化效率不高，当反应时间为1.5hr时，NH₃-N的去除率不到30％。造成硝化效果差的原因是，所有的试验数据均在冬季取得，大部分时间的日平均水温在8～12℃，影响了生物硝化，造成出水氨氮较难达标。表2中的数据说明，将生化反应池沿程分为三段，可将高的平均负荷改变成阶梯负荷，以降低后段的有机负荷，为生物硝化创造条件，在第2池中溶解性COD_cr和BOD₅的负荷分别降至0.38和0.11kg/kgMLSS.d在第3池中溶解性COD_cr和BOD₅的负荷分别降至0.25和0.07kg/kgMLSS.d，可满足硝化的要求。
　　图表数据表明，经过0.5hr的生物处理，总COD_cr、溶解性COD_cr和溶解性BOD₅的去除率都不高，出水的溶解性COD_cr和溶解性BOD₅仍有56.7mg/l和16.7mg/l，后续化学处理无法保证最终出水COD_cr≤50mg/l、BOD₅≤12mg/l；但溶解性有机物的去除率高于总有机物的去除率。当生化时间不小于1hr时溶解性有机物去除率相当高，生物处理出水的溶解性COD_cr低于34.7mg/l，溶解性BOD₅低于9.1mg/l，后续化学处理完全可以保证最终出水达标。因此确定主要处理流程为“生物|化学”；生化反应时间取1hr。
　　由于投加填料作为生物载体，有利于泥龄较长的硝化菌的生长，当气温较高时，氨氮的去除率随即上升，这在气温回升的四月份的试验数据中己得到反映：同时因含碳有机物降解速度的加快，可进一步降低生化反应池末端的负荷，为生物硝化创造条件。当水温满足生物硝化要求，即稳定在不低于12℃时，可将NH₃-N不高于30mg/l的河水处理至低于10mg/l，做到达标排放。当冬季水温低于硝化细菌的要求时，由水体中NH₃-N消耗的溶解氧量很有限，危害水体的主要因素并不在于NH₃-N。
　　考虑到冬、夏生化反应的差别、水质波动情况和河水净化设施占地等因素，决定放弃长时间的生物处理工艺，而采用“短时（1hr）生物处理＋高效化学处理”，即通过生物处理将溶解性的有机污染物转化为生物絮体，然后利用化学沉淀去除。气温较高的可利用生物硝化作用在生化反应过程中降解氨氮。
　　3.3 混凝剂选择及投加量确定
　　许多研究表明，一般的无机混凝剂产生的污泥量大。为了减少污泥量，降低污泥处理的投资和费用，本研究的混凝剂和助凝剂均采用高分子聚合物。
　　当助凝剂相同，分别以聚铁和聚铝为混凝剂进行对比试验，发现两者的去除效率接近，但聚铁更好，形成的矾花较密较易沉淀；然而聚铁造成出水带黄色，影响了出水的感官指标，所以最终选定用聚铝（PAC）作为混凝剂。
　　采用效果好、成本低的阴离子聚丙烯酰胺（PAM）为助凝剂。
　　以经生物处理1hr的出水为主要对象，多次试验证实，相对于最初的河水，生物处理出水易进行化学处理，混凝沉淀效果好，可保证最终出水达标，且处理费用不高。表3中列出了生物处理1hr出水的化学处理结果，可以得到混凝剂用量与去除率的关系。
　　近5个月的数据表明，如果进水的COD_cr值不超过130mg/l，则混凝剂PAC的投加量在10mg/l左右即可保证出水COD_cr和BOD₅等达标；如果进水的COD_cr值超过130mg/l，则混凝剂PAC的投加量应相应增加，约为15mg/l～30mg/l可保证出水达标。助凝剂的用量
均为0.3mg/l。
　　产生的化学污泥量为0.09～0.11kg干污泥/m³水，较少的污泥量可降低后续污泥处理的投资和费用。

　　另外，PAC和PAM对水中的重金属离子有很好的去除作用。当PAC投加25mg/l，PAM投加0.3mg/l时，对水中锌、汞、铅、镉的去除率分别达到92.6％、90.0％、70.2％和50.0％。并且对磷也有很好的去除，达90％以上。
　　3.4 推荐工艺及经济指标
　　根据以上研究结果，推荐工艺为：

　　以上述河流为例，当处理水量Qs=0.25m³/s，闸后500m范围内河道水质达到净化要求时，单位投资成本795元/m³，运行费用0.28元/m³；当处理水量Qs=0.50m³/s，闸后1000m范围内河道水质达到净化要求时，单位投资成本720元/m³，运行费用0.25元/m³。可见远远低于建设一般的污水处理厂的费用，且不需要大量投资用于管道建设。

4 结论

　　1）利用“生物十化学”处理工艺，可以实现受污染河水的就地净化。该工艺成熟，效果稳定，结合了生物法和化学法各自的优点，可根据进水水质调整化学药剂的用量，具有很强的运行灵活性，能很好地适应各种河水水质，
　　2）化反应时间为1hr时，52.8％的溶解性COD_cr、58.3％的溶解性BOD₅得到转化，后续化学处理即可保证出水的COD_cr≤50mg/l、COD_cr、BOD₅≤12mg/l、DO≥2.0mg/l。生化反应时间过短，溶解性COD_cr未能充分转化，无法保证出水达标；生化反应时间过长，处理装置的占地面积大，运行费用高。建议生化反应时间采用1hr。
　　3）用聚铝为混凝剂，聚丙烯酸胺为助凝剂，对生化反应出水的处理效果显著稳定。如果进水的COD_cr值不超过130mg/l，则混凝剂PAC的投加量在10mg/l左右，助凝剂投加量在0.3mg/l即可保证出水达标；如果进水的COD_cr值超过130mg/l，则混凝剂PAC的投加量应相应增加，约为15mg/l～30mg/l，助凝剂投加量仍为0.3mg/l可保证出水达标。产生的化学污泥量为0.09～0.11kg干污泥/m³水。
　　4）寒冷季节5个月的连续试验证实，河水受到严重污染时（COD_cr=100～130mg/l，NH₃-N=20mg/l左右），上述工艺可保证净化后河水的平均值达到目标，即BOD₅≤12mg/l，COD_cr≤50mg/l，NH₃-N≤10mg/l，DO≥2.0mg/l。

参考文献：
　　[1]φdegaard H,Rusten B and Westen T.A new moving bed biofilm reactor-Application and Results. Wat Sci Tech,1994,29:157-165
　　[2]U Welander T Henrysson and T Welander, Biological nitrogenremoval from municipal landfill leachate in a pilot scale suspended carrier biofilm process．Wat Sci Tech, 1998,32(5)：1564-1570
　　[3]夏四清，高廷耀，周培炎，王学江. 悬浮填料生物反应器去除有机污染物和氨氮的中试研究. 给水排水，2000，26(2)：42-45

作者简介：
屈计宁：1965年生，同济大学环境科学与工程学院，副教授，主要从事水处理理论与技术研究。